Entrelazamiento cuántico de los estados oscilatorios de dos micromecanismos macroscópicos

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El entrelazamiento cuántico de dos objetos macroscópicos es imposible con la tecnología actual. Sin embargo, se pueden entrelazar ciertos estados vibratorios de dos osciladores micromecánicos separados cierta distancia. Se publican dos artículos en Nature que logran entrelazar los estados vibratorios de dos objetos macroscópicos, formados por casi un billón de átomos, enfriados a menos de 0,1 kelvin y separados una distancia de hasta veinte centímetros. Sendos experimentos, cuyos detalles son muy diferentes entre sí, usan radiación electromagnética para generar y detectar el entrelazamiento luchando en contra de las fluctuaciones térmicas.

La aplicación más importante de estos osciladores micromecánicos es su futura integración en redes de comunicaciones ópticas que trabajen con información cuántica. Gracias a la posibilidad de entrelazar sus estados de vibración permitirán el almacenamiento del estado entrelazado entre fotones, lo que será fundamental en el control de la transmisión de información por estas redes. Aunque hay otras aplicaciones potenciales en metrología, la más relevante en mi opinión es su papel potencial en el desarrollo de la futura red de internet cuántica.

Los artículos son Ralf Riedinger, Andreas Wallucks, …, Simon Gröblacher, “Remote quantum entanglement between two micromechanical oscillators,” Nature 556: 473–477 (25 Apr 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0036-z, arXiv:1710.11147 [quant-ph], que usan el dispositivo publicado en Sungkun Hong, Ralf Riedinger, …, Simon Gröblacher, “Hanbury Brown and Twiss interferometry of single phonons from an optomechanical resonator,” Science 358: 203-206 (13 Oct 2017), doi: 10.1126/science.aan7939, arXiv:1706.03777 [quant-ph]; y C. F. Ockeloen-Korppi, E. Damskägg, …, M. A. Sillanpää, “Stabilized entanglement of massive mechanical oscillators,” Nature 556: 478–482 (25 Apr 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0038-x, arXiv:1711.01640 [cond-mat.mes-hall]. Más información en Andrew Armour, “Entangled vibrations in mechanical oscillators,” Nature 556: 444-445 (2018), doi: 10.1038/d41586-018-04827-5, y en “Entanglement of Separate Nanomechanical Devices Heralds Quantum Internet,” Emerging Technology from the arXiv, 13 Nov 2017.

Dibujo20180501 Devices and experimental setup for quantum entanglement two micromechanical oscillators nature com s41586-018-0036-z

Riedinger y sus colegas usan dos osciladores en forma de barras de silicio con agujeros a lo largo de sus 10 μm de longitud suspendidas por sus extremos. Estas barras están diseñadas para oscilar a 5,1 GHz, es decir, con una longitud de onda de 1553,8 nm, similar a la usada en comunicaciones a través de fibras ópticas. Enfriadas a menos de 0,1 kelvin, cuando reciben un pulso de luz a dicha frecuencia se ponen a vibrar por resonancia con dicho pulso. Así sirven para almacenar el pulso óptico para su posterior reemisión de forma controlada (se alcanzan tiempos de almacenamiento entre 1 µs y 1 s).

Mediante el uso de un divisor de haz se pueden enviar a ambas barras de silicio sendos pulsos ópticos sin que se sepa cuál acaba haciendo vibrar cada barra. La ignorancia sobre la trayectoria de cada pulso implica que las vibraciones de ambas barras quedan en un estado cuántico en superposición. Mediante microondas que inciden en ambas barras se logra que aparezcan correlaciones fuertes entre dichos estados que implican su entrelazamiento cuántico.

Lograr el entrelazamiento es muy difícil, por ello, se han fabricado chips con unas 500 barras. Los chips se han conectado por fibras ópticas a lo largo de unos 20 cm que los separan. El protocolo de entrelazamiento se ha repetido con 234 parejas de barras, una de cada chip, separadas unos 20 cm, y se han seleccionado las 5 parejas que muestran un comportamiento óptimo para ilustrar el entrelazamiento. Por supuesto, el experimento se ha repetido en múltiples ocasiones para minimizar los sesgos estadísticos en esta selección. Se espera que en un futuro se pueda alargar la distancia mucho más allá de los 20 cm ya que un tiempo de almacenamiento de 1 segundo permite alcanzar distancias kilométricas y que se mejore el número de entrelazamientos exitosos entre los chips de barras.

Dibujo20180501 Creating and detecting motional entanglement nature com s41586-018-0038-x

Ockeloen-Korppi y sus colegas estudian un dispositivo diferente, un par de cilindros metálicos en una de cuyas caras está suspendido un disco metálico que vibran de forma vertical como lo haría el tapete de un tambor. Estos discos tienen un diámetro de 15 μm y una frecuencia de vibración de unos 10 MHz. Ambos discos están conectados por un circuito eléctrico que oscila al ritmo de las microondas incidentes. Las microondas influyen de forma indirecta sobre la vibración de los tambores metálicos, aún así permiten que sus vibraciones se entrelacen (a pesar de que la frecuencia de vibración de estos es muy inferior a la frecuencia de las microondas).

La gran ventaja del diseño de Ockeloen-Korppi y sus colegas es que permite usar vibraciones mecánicas de baja frecuencia, lo que permite relajar las restricciones de fabricación micromecánicas ya que los tambores metálicos que resuenan no tienen que ser idénticos para lograr el entrelazamiento. En este sentido ambos artículos se complementan sin competir entre ellos.

Cuesta trabajo recordar que la primera vez que se entrelazaron las vibraciones de dos osciladores mecánicos fue en 2009 (aunque cada oscilador estaba constituido por solo dos átomos). Hoy en día se logra entrelazar las vibraciones de osciladores macroscópicos con casi un billón de átomos. Y este número crece año a año. Resulta fascinante ver hasta dónde nos llevarán este tipo de experimentos.

Una futura aplicación de estos micromecanismos será el estudio de los efectos gravitacionales en sistemas cuánticos. Para ello se necesitan que alcancen un tamaño y una masa suficiente para que dichos efectos sean relevantes. Gracias a ello se podrían realizar las primeras observaciones en gravitación cuántica (pues fenómenos como el entrelazamiento de efectos gravitacionales aún no han sido observados). Pero no soñemos y pongamos los pies en la Tierra. Los físicos que trabajan en este tema tienen asuntos más prioritarios que atender, como el desarrollo de dispositivos para la futura internet cuántica.

2 comentarios

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cecilia cecilia

Francis
Veremos alguna vez un objeto macroscopico entrelazado con otro? cuales son los retos tecnológicos? y como se verán esos dos objetos entrelazados?

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